二阶有源滤波器的设计-模电课设报告要点

1、七&高I室十厚课程设计说明书课程设计名称：模拟电路课程设计课程设计题目：二阶有源滤波器的设计学院 名称：南昌航空大学信息工程学院专业：通信工程班级： 110423班学号：姓名：评分：教师：2013年 3月 11 日右3音t空士珍模拟电路课程设计任务书2012- 2013学年第 N 学期 第周一 3周题目二阶低通滤波器的设计内容及要求 分别用压控电压源和无限增益多路反馈二种方法设计电路；截止频率fc=2kHz;增益Av =2。进度安排第1周：查阅资料，到机房学习仿真软件，确定方案，完成原理图设计及仿真；第2周：领元器件、仪器设备，制作、焊接、调试电路，完成系统的设计；第3周：检查设计结果、撰写课

2、设报告。学生姓名：指导时间：周一、周三、周四卜午指导地点：E楼311室任务下达2013年2月25日任务完成2013年3月15日考核方式1.评阅口2. 答辩口 3.实际操作臼4.其它口指导教师系（部）主任注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单” 一并交院教务存档 此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。有源低通滤波器是一种通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。本次试验主要采用了由四个独立运算放大器组成的 LM324芯片和可调性电位器，通过压控电压 源和无限增益多路反馈两种方法来设

3、计 RC网络和反馈网络、multisim仿真分析及焊 板和调试，从而得到具有特定截止频率的二阶滤波器。关键字：低通，滤波器，LM324前言 1第一章系统组成及工作原理 21.1 有源滤波器系统组成 21.2 工作原理 21.2.1 有源二阶压控滤波器工作原理 21.2.2 无限增益多路反馈滤波器工作原理 4第二章设计方案 52.1 方案选择 52.2 电路及其参数设计 62.2.1 有源二阶压控滤波器电路及参数设计 62.2.2 无限增益多路反馈滤波器的电路及参数设计 7第三章电路调试及结果分析 83.1 电路组装及调试 83.2 测试结果与分析 83.2.1 仿真结果图 83.2.2 实验数

4、据记录 93.2.3 实验结果分析 10第四章 结论 11参考文献 12、乙刖 百滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，在信息处理、 数据传送和抑制干扰等自动控制、 通信及其它电子系统中应用广泛。滤波一般可分为 有源滤波和无源滤波，有源滤波可以使幅频特性比较陡峭，而无源滤波设计简单易行， 但幅频特性不如有源滤波器，而且体积较大。从滤波器阶数可分为一阶和高阶，阶数 越高，幅频特性越陡峭。高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。 采用集成 运放构成的RC有源滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定增益，截止频 率可调等特点。压控电压源型二阶低通滤波电路是有源滤波电路的重

5、要一种，适合作为多级放大器的级联。12第一章系统组成及工作原理1.1 有源滤波器系统组成原理框图如图1.1所示:图1.1 RC有源滤波总框图如上图可知，有源滤波器滤波器是由 RC网络，反馈网络以及放大电路三部分组 成。其中在电路中RC网络通常主要由电阻和电容组成，起着滤波的作用，滤掉不需 要的信号，这样在对波形的选取上起着至关重要的作用。 而反馈网络将输出信号的一 部分或全部通过牧电路印象输入端， 称为反馈，其中电路称为反馈网络，反馈网络分 为正、负反馈。并且在电路中运用同相输入运放，其闭环增益Rvf=1+R4/R3同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。1.2

6、工作原理1.2.1 有源二阶压控滤波器基础电路如图2所示:CbCKJ同相比例放大电路图1.2二阶有源低通滤波基础电路它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率 f f0时（f0为截止频率），电路的每级RC电路的相移趋于-90o,两级RC电路的移相到 -1800,电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容 C引到集成运放同相 端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用， 使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗

7、高，输出阻抗低。传输函数为：A(s)=Vo(s)Vi(s)AVF_ _21 (3-AVF)sCR (sCR)2(1.1)通带增益：A=A/f (1.2)等效品质因数:13-Avf特征角频率:RCA(s)=A。；(1.3)(1.4)(1.5)注：当3_加0,即从尸3时，滤波电路才能稳定工作。1.2.2 无限增益多路反馈有源滤波器基础电路如图1.3所示:可看成理想运放, 波电路。Au (s) =S J1C1C2R1R2(1.6)Ci RR2R3 JC1C2R2R3图1.3无限增益多路负反馈二阶低通滤波电路在二阶压控电压源低通滤波电路中，由于输入信号加到集成运放的同相输入端，同时电容C1在电路参数不

8、合适时会产生自?殷震赤 为了避免这一点，Aup取值应小于3。可以考虑将输入信号加到集成运放的反相输入端，采取和二阶压控电压源低通 滤波电路相同的方式，引入多路反馈，构成反相输入的二阶低通滤波电路， 这样既能 提高滤波电路的性能，也能提高在f=fo附近的频率特性幅度。由于所示电路中的运放即可认为其增益无穷大，所以该电路叫做无限增益多路反馈低通滤(1.7)(1.8)Au(Sl);AuoS2Sl 1Q-S，一其中：Sl（Q为品质因数）c第二章方案选择及设计2.1方案选择1 .滤波器的选择一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高 的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特

9、性对参数变化比较敏感， 在这点上它 不如压控电压源型二阶滤波器。2 .级数的选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通电路或高通 电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获 得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。3 .元器件的选择一般设计滤波器时都要给定截止频率 fc （筋内增益Av,以及品质因数Q （二 阶低通或高通一般为0.707）。在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元 件取值的参数之数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档较少

10、，电容难配， 而电阻易配，可根据工作频率范围按照表 2-1初选电容值。表2-1滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系频率c110(Hz)10102 (Hz)102103 (Hz)110 (kHz)_310103(kHz)102103 (kHz)电容f2010(F)100.1 (uF)0.10.01 (uF)104103 (pF)103102 (pF)21010 (pF)4 .2电路设计及参数计算2.2.1 二阶压控低通滤波器电路及参数设计电路设计图:1O011FU1ACl HlOkfl参数设计:将上式分母与表图2.1压控电压源二阶低通滤波器, ，一，.，、11归一化传递函数的分母多项式比较得：

11、- = V2Q(2.1)通带内的电压放大倍数:R4Auo = Af =1 0=2R3(2.2)12滤波器的截止角频率：C： : 2二fc=2二10R1C1R2c2(2.3)c 1111(1 - Auo)QR1C1R2C2R2C2(2.4)所以根据上述推导公式可得：电路设计时应该使得 九3 =1,根据市场能买到的器 R4件，则可以取R4=R3=10kQ,然后由中心频率计算公式可以取 Ci=C2=0.1uF,可以得 出电阻Ri=596.58k Q R4=1.06255k Q。.可以用2k Q的电位器代替，基本达到设计要 求了。2.2.2 无限增益多路反馈有源滤波器的电路及参数计算电路设计图:UiO

12、-1U1A+1R5R2225.19L1lOOiiF 二225.191U。图2.2无限增益多路负反馈二阶低通滤波器参数设计:通带内的电压放大倍数:AuoR3R1(2.5)滤波器的截止角频率:c.R2R3C1C2二2 二 fc(26)根据上述推导公式可得：电路设计时应该使得C1=C2,根据市场能买到的器件，则可以取C1= C3=0.1uF,然后由中心频率计算公式，电压增益公式以及品质因素的公 式计算参数，依据以上三个公式，取 fo=2kHz, Q=0.707, Aup=2。令R1=R2,可得: R1=R2=0.22519kQ, R3 =0.45038k Q而用R1,R2用2k Q的电位器调节，使得

13、其等于 0.22519k Q,即可基本达到设计要求。第三章电路调试及结果分析3.1 电路组装与调试电路实物图如下：图3.1实物图1图3.2实物图2通过元器件的排板和焊接等主要步骤得到如上滤波器电路后，对所设计好的电路进行调试。实验过程中，将电路按设计原理图接好，观察是否有波形出现并与仿真结 果波形图进行比较。若波形不正确，调节电路中的电位器，观察示波器的波形，直到 出现正确的波形即可。若实验过程中出现波形失真等现象，也可通过调节电位器的大 小将其纠正。3.2 测试结果与分析3.2.1 仿真结果图当函数信号发生源输入信号频率为 1kHz时，输出信号的波形图如下:图3.3压控二阶滤波器输出信号图3

14、.4无限增益多路负反馈滤波器输出信号当函数信号发生源输入信号频率为 2kHz时，输出信号的波形图如下:图3.5压控二阶滤波器输出信号图3.6无限增益多路负反馈滤波器输出信号当函数信号发生源输入信号频率为 3kHz时，输出信号的波形图如下:图3.8无限增益多路负反馈滤波器输出信号3.2.2实验数据记录表3-1压控二阶低通滤波器实验数据输入频率f (kHz)输入电压Uo (V)输出电压Ui (V)电压增益Av110202210141.431080.8表3-2无限增益多路负反馈二阶低通滤波器实验数据输入频率f (kHz)输入电压Uo (V)输出电压Ui (V)电压增益Av110202210141.4

15、31080.83.2.3实验结果分析在上述的二阶低通滤波电路实验中，当输入的信号频率小于截止频率2kHz时，其电路的电压增益为2。即当输入的频率是1kHz,其波形放大倍数为2。当输入信号 频率为2kHz时，输出与输入的倍数关系是1.4倍。当输入信号频率为3kHz时，输出 与输入的倍数关系是0.8倍.即当输入信号大于截止频率时，输入信号逐渐趋于截止， 其增益趋于00滤波器的滤波效果已经达到，截至频率是 2kHz。第四章实验结论本次试验所得的二阶有源低通滤波器输入阻抗高，输出阻抗低，可提供一定的增益，截止频率可调。在实验调试过程中，也经常出现因为元器件参数不对而导致波形 失真的状况，所以在本次试验中，选择使用电位器。并且每个方案电路中只使用了一 个2kQ的电位器，便于在适当范围内对波形进行调试，从而得到正确的截止频率， 使得所设计的滤波器性能更佳。在设计方案的排板焊接上，本次实验中只采用了一块 电路板和一个LM324芯片。将两